Predictions for imaging and spectroscopic surveys of galaxies and Active Galactic Nuclei in the mid-/far-Infrared

Mentre i dati fotometrici sulla luminosità del continuo, alle lunghezze d'onda che vanno dal lontano infrarosso al sub-millimetrico, hanno fornito vincoli stringenti sulle proprietà delle popolazioni di galassie polverose con alti tassi di formazione stellare fino a redshift elevati, future missioni spaziali, come lo Space Infra-Red Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) e telescopi da terra come l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e il Cerro Chajnantor Atacama Telescope (CCAT), consentiranno indagini dettagliate sulle loro proprietà fisiche, tramite l'analisi della loro emissione in riga nel medio/lontano infrarosso. L'obiettivo di questa tesi è stato di realizzare predizioni per queste indagini spettroscopiche, utilizzando sia un approccio fenomenologico che modelli fisici. Queste predizioni risultano particolarmente utili per ottimizzare la pianificazione delle survey. Nella prima parte del lavoro, presento predizioni aggiornate per i conteggi e le distribuzioni in redshift di galassie con alti tassi di formazione stellare, rilevabili spettroscopicamente da queste future missioni. Queste predizioni si servono dei recenti aggiornamenti dei modelli evolutivi, che includono l'effetto di lente gravitazionale forte, alla luce dei più recenti dati di Herschel e del South Pole Telescope (SPT). Inoltre le relazioni tra la luminosità in riga e quella del continuo infrarosso sono state ricalcolate, considerando anche differenze tra le popolazioni di sorgenti, con il supporto di estese simulazioni che tengono conto dell'oscuramento da polveri. Il mio modello di riferimento per le funzioni di luminosità IR dipendenti dal redshift è stato quello elaborato da Cai et al. (2013), basato su un esaustivo approccio ibrido, che combina un modello fisico per i progenitori delle galassie early-type con uno fenomenologico per le galassie late-type. Le funzioni di luminosità in riga derivate sono risultate essere molto sensibili alla dispersione dei rapporti tra la luminosità in riga e quella del continuo. Vengono presentate stime del numero atteso di detezioni per riga spettrale rilevabili da survey con lo SpicA FAR infrared Instrument (SAFARI) e con CCAT, per diversi tempi di integrazione per campo di vista, con un tempo totale di osservazione fissato. Confrontando queste stime con altre calcolate precedentemente da Spinoglio et al. (2012), ho trovato, nel caso di SPICA-SAFARI, nella maggior parte dei casi differenze all'interno di un fattore due, ma a volte molto maggiori. Per CCAT sono state trovate differenze più sostanziali. Inoltre presento nuove stime di funzioni di luminosità in riga dipendenti dal redshift, per righe IR rilevabili da SPICA-SAFARI ed eccitate da attività sia di formazione stellare sia di AGN. Le nuove stime sono più accurate rispetto alle precedenti, poichè trattano in modo autoconsistente l'emissione complessiva delle galassie, comprendendo sia la componente starburst sia quella AGN. Mentre la coevoluzione galassia-AGN, nel caso delle galassie proto-sferoidali, era stata già elaborata da Cai et al. (2013), l'evoluzione delle galassie late-type veniva lì trattata in modo indipendente da quella degli AGN ad esse associati. Ho aggiornato il modello per far sì che trattasse in modo coerente i contributi all'emissione IR sia degli starburst che degli AGN, durante la loro evoluzione cosmica, anche per le galassie late-type. Sono state ricavate nuove relazioni tra la luminosità in riga e la luminosità bolometrica dell'AGN e sono state aggiornate quelle tra la luminosità in riga e la luminosità IR della componente starburst. Questi ingredienti sono stati utilizzati per realizzare predizioni per i conteggi in 11 righe di emissione nel medio/lontano IR, parzialmente o interamente eccitate dall'attività di AGN. Ho trovato che la statistica delle detezioni nelle righe di emissione delle galassie (considerate nel loro complesso, cioè starburst+AGN) è determinata principalmente dal tasso di formazione stellare, a causa della rarità di AGN luminosi. Ho trovato anche che la pendenza dei conteggi integrali in riga è minore di 2, il che implica che il numero di detezioni, ad un tempo di osservazione totale fissato, aumenta maggiormente estendendo l'area della survey che andando più in profondità. Ho quindi proposto una survey spettroscopica di 1 h di tempo di integrazione per campo di vista, su un'area di 5 deg^2, per rilevare (a 5σ) ~760 AGN nell'[OIV]25.89 μm - la riga da AGN più brillante nel medio IR - fino a z~2. Osservazioni puntate di galassie fortemente lensate o di galassie iper-luminose precedentemente rilevate da survey a grande area, come quelle realizzate con Herschel e con SPT, possono fornire informazioni chiave sulla coevoluzione galassia-AGN fino a redshift più elevati. Infine, come terza pate del lavoro, presento predizioni per conteggi e distribuzioni in redshift di galassie rilevabili nel continuo e in righe di emissione dal Mid-infrared (MIR) Instrument (SMI) proposto per SPICA. Ho considerato 24 righe MIR di emissione, quattro bande di idrocarburi policiclici aromatici (PAH) (a 6.2, 7.7, 8.6 e 11.3 μm) e due bande di silicati (in emissione e in assorbimento) a 9.7 μm e a 18.0 μm. Sei di queste righe sono associate principalmente ad AGN, le altre soprattutto alla formazione stellare. Complessivamente, ci permettono di studiare l'interazione tra la formazione stellare e l'accrescimento del buco nero super-massiccio. Una survey con gli spettrometri SMI di 1 h di tempo di integrazione per campo di vista, su un'area di 1 deg^2, permetterà la detezione (a 5σ) di ~140 righe AGN, prodotte da ~110 AGN, e di ~5.2x10^4 galassie con alto tasso di formazione stellare, ~1.6x10^4 delle quali verranno rilevate in almeno due righe. La combinazione di una survey superficiale (20.0 deg^2, 1.4x10^(-1) h di tempo di integrazione per campo di vista) e una survey profonda (6.9x10^(-3) deg^2, 635 h di tempo di integrazione per campo di vista), con la camera dello SMI, per un totale di ~1000 h, determinerà accuratamente i conteggi MIR di galassie e di AGN per oltre cinque ordini di grandezza in densità di flusso, raggiungendo valori più di un ordine di grandezza più deboli delle survey Spitzer a 24 μm. Questo ci permetterà di risolvere quasi completamente il fondo extragalattico e di determinare la funzione del tasso di formazione stellare cosmica fino a tassi di formazione stellare più di 100 volte più piccoli di quanto è possibile con Herschel. Queste osservazioni spettroscopiche ci permetteranno di indagare tutte le fasi del mezzo interstellare (ionizzato, atomico e molecolare). Le misurazioni di queste righe forniranno redshift e importanti indicazioni sulle condizioni fisiche delle regioni oscurate da polveri e sulle sorgenti energetiche che controllano la loro temperatura e pressione. Queste informazioni sono di fondamentale importanza per lo studio dei complessi processi fisici che regolano la fase polverosa di attiva formazione stellare di evoluzione delle galassie e le relazioni con l'attività nucleare. Le osservazioni di galassie fortemente lensate saranno di particolare interesse, perchè ci permetteranno di misurare la distribuzione di gas/polvere in galassie fino ad alti z e di ottenere informazioni su sorgenti troppo deboli per essere rilevate con le sensibilità degli strumenti attuali, testando perciò i modelli di formazione delle galassie e di materia oscura.